コンピュータグラフィックスにおける流体映像の効率的な生成に関する研究

 
佐藤 周平
北海道大学大学院情報科学研究科 専門研究員

[背景]映像制作における写実的かつ製作者の意図を反映した流体映像の要求
[問題]
写実的かつユーザ所望の流体の流れを高速に生成
[貢献]最適化による写実的かつ所望の流体の流れの生成方法


 近年,コンピュータグラフィックスにおいて煙や水などの流体の動きを流体解析により計算する研究が盛んに行われている.また流体現象は,映画やゲームなどの映像において重要な要素の1つであり,さまざまな場面で利用されている.これらの映像制作では,リアルかつ映像を制作するアーティスト(ユーザ)の意図に沿うような流体映像の生成が求められる.しかし,リアルな映像を生成する場合,流体シミュレーションは非常に計算コストが高い.また,映画やゲームにおいて,流体映像を制作する場合,以下の点が問題となる.

  1. ユーザの意図した映像を作成するためには,シミュレーションのパラメータを試行錯誤的に調整する必要がある.
  2. 試行錯誤的なパラメータの調整により,計算コストの高い流体シミュレーションを繰り返し行うと,映像制作までに膨大な時間が必要である.
  3. さらに,複数の流体映像を作成する場合,そのすべてをパラメータ設定とシミュレーションの繰り返しにより作成すると,非常に多くの時間と労力が必要となってしまう.

 1. の問題では特に,流体を文字や動物など特定の形状として表現したい場合に,パラメータの調整のみでこれを実現することは,非常に困難である.そこで本研究では,流体,特にこれまで特定の形状として表現するための一般的な手法が存在しなかった爆発を対象とし,爆発を所望の形状へ制御するための手法を提案する.提案手法により,爆発を特定の形状に制御することが可能となった.図(a)は,ドクロ形状に制御された爆発の例である.

 上記で提案した制御手法を用いた場合でも,ユーザが所望する映像を作成するまでには,何度もパラメータの調整および高コストのシミュレーションを実行する必要がある.そのため,2. のような点が問題となる.そこで,精度は低いが高速に計算可能なシミュレーションによりユーザが所望の映像を作成し,その動きを保ったまま高解像度な映像へ変換する手法を提案する.このとき,高解像度な映像への変換は,事前に計算したデータベースを用いるため,高コストのシミュレーションを実行せずに,リアルな映像を作成することができる.提案手法により,リアルかつユーザ所望の映像を効率的に作成することができた.図(b)は,左が低解像度,右が提案法により生成した高解像度な結果である.

 上記の高解像度化アプローチにより,効率的な映像生成が可能となる.しかし,戦争映画などで見られるような,ミサイルにより複数の爆発が起こっているシーンや村全体が火事になっているシーンなど,複数の流体映像が必要な場合,3. の点が問題となる.特に上述のようなシーンでは,類似しているが動きの異なる映像が必要であり,パラメータ設定とシミュレーションを繰り返し,このような映像を作ることは非常に困難である.そこで,流体シミュレーションにより作成された単一のデータセットから,さまざまなバリエーションの流体映像を,シミュレーションの実行なしに生成するための方法を提案する.現状では2次元への適用ではあるが,単一のデータセットから,複数の流体アニメーションを作成することができた(図(c)).

 以上の手法により,所望の流体映像を効率的に生成することで,映像制作にかかわる時間の削減が期待できる.

 

 (2014年5月31日受付)
取得年月日:2014年3月
学位種別:博士(情報科学)
大学:北海道大学



推薦文
:(グラフィクスとCAD研究会)


CGにおいてアニメータの意図に沿うような流体表現を実現することは重要な課題の1つである.本論文は,数値流体解析に対し制御手法や最適化理論を応用することで,上記課題を解決するための手法を提案しており,CG制作分野の発展に大きく寄与する論文である.以上の理由から,研究会推薦博士論文速報に推薦する.


著者からの一言


これまで日々ご指導いただいた研究室の先生方をはじめ,多くの方からご指導ご討論をいただいて,無事博士の学位を取得することができ,大変感謝しております.今後は,流体に限らず,物理シミュレーションを用いて簡単かつ高速に映像を制作するための方法を研究していきます.